THERMAL ORIENTATION OF MOLECULAR FLUIDS UNDER STRONG TEMPERATURE GRADIENTS : A COMBINED EXPERIMENTAL AND THEORETICAL INVESTIGATION

En stor mengde varme frigjøres som følge av menneskelige aktiviteter, men generelt er det vanskelig å gjenvinne spillvarmen som andre nyttige energiformer. Varmeutslipp fra maskiner, motorer, varmeovner eller kroppene våre genererer termiske gradienter. Å kunne konvertere denne spillvarmen til andre nyttige energiformer er derfor et viktig mål innen vitenskap og teknologi. Ikke-likevekt termodynamikk lærer oss at termiske gradienter kobler seg til massestrømmene og elektriske strømmer, noe som fører til nye fysiske effekter. To viktige effekter, de såkalte Soret- og Seebeck-effektene ble oppdaget på 1800-tallet. Disse effektene har aktivert en rekke teknologier som vi bruker i dag (kjøleskap, termoelementer). Aktuelle applikasjoner inkluderer biotermiske batterier til makten hjertepacemakere eller konvertering av elektrisitet ved hjelp av spillvarme i biler. Et bemerkelsesverdig eksempel på en maskin som utnytter termoelektrisk konvertering er NASAs Voyager. Dette romskipet er avhengig av radioisotop termoelektriske generatorer for å konvertere varmen som produseres ved radioaktivt henfall til elektrisitet. Soretekoeffisienten er ogsåar stor interesse i moderne teknologi, da den gir en rute for å manipulere nanopartikler og molekyler ved å flytte dem mot varme eller kalde kilder. Denne effekten blir også brukt i termoanalytiske enheter. Til tross for betydelige teknologiske fremskritt, forstår vi ikke fysikken bak disse effektene i sin helhet. Faktisk oppdaget vi nylig at vann ville polarisere under en termisk gradient, en ny effekt vi kalte termo-molekylær orientering (TMO). Vann er et løsemiddel av viktig betydning i kjemiske reaksjoner, biologi, vår kropp eller jorda. Prosjektet vårt fokuserte på å få en bedre forståelse av TMO-effekten, å finne mikroskopiske variabler, som molekylmasse og form, som definerer effekten, og som kan informere oss om ruter for å kontrollere eg manipulere effekten. Vi har også undersøkt implikasjonene av TMO i termoelektrisiteten av vandige løsninger, og å forstå hva som skjer når vi bruker en termisk gradient til f.eks. et glass med salt vann. Slike vanlige eksperimentelle systemer kan gi informasjon til å designe termoelektriske enheter, samt å forstå hvorfor en nanopartikkel eller et protein beveger seg mot varme eller kalde områder. Vi undersøkte i vårt prosjekt salter som LiCl. Litium er av særlig interesse, siden dette ionet brukes i mange av batteriene vi bruker hver dag for våre elektriske enheter. Vi fant at TMO-effekten i vann representerer et viktig bidrag for å kvantifisere Seebeck-koeffisienten for van løsninger. En slik effekt har ikke blitt vurdert før, og det gir derfor et nytt perspektiv på termoelektrisiteten båret av ioner i vann, med potensielle applikasjoner i energiomformingsanordninger. Vi har brukt våre algoritmer for å forstå oppførselen av vannblandinger, sum for eksempel vann-urea, under termiske gradienter. Urea er mye brukt for å studere protein denaturering, selv om mekanismen bak denatureringen fortsatt er under diskusjon. Eksperimentelle studier utført under prosjektet fremhevede følsomhet for termodiffusjon til løsemiddel-vann-interaksjoner. Vi identifiserte ved hjelp av datasimuleringer og eksperimenter begynnelsen av hydrofobicitet i urea-vannblandinger, ved et ureakonsentrasjonsregime (~ 5 M) som tilsvarer der abrupte endringer i denaturering av proteiner ofte observeres. Implikasjonene av TMO i er også undersøkt. Samlet sett har vårt arbeid lagt ut den fysiske bakgrunnen for å forstå og kontrollere TMO i vann og vann løsninger. Neste trinn kan fokusere på å bruke denne effekten til å forstå fysikken av væsker i termiske felt, som vi har gjort med Seebeck-effekten av vam løsninger, for å forstå den fysiske kjemi av solvatisenny ved å bruke termiske gradienter, så vel som for å evaluere potensialet av TMO-effekten i miliøvennlige applikasjoner for energikonvertering.

Temperature gradients induce coupling effects, such as electron transport, which can be used to generate electricity from waste heat. The flow of electrons under the temperature gradient is the basis of thermoelectric devices that are currently used in th e automobile industry, and specialized applications such as space probes. Very recently we have shown, using computer simulations and theoretical approaches that thermal gradients can induce a preferred orientation in molecular fluids. The degree of orien tation is proportional to the thermal gradient, and it is expected to be significant for gradient of ~10^6 K/m, which are achievable with current experimental set ups. This phenomenon called "Thermo-molecular orientation" is completely general, and it is observed in non-polar and polar fluids. We have predicted that in polar fluids molecular orientation can result in large electrostatic fields, of the order of the fields needed to operate liquid crystal displays. This project combines the expertise of exp erimental and theoretical groups to investigate this new physical phenomenon and its microscopic mechanism. In the present proposal we will investigate using computational methods and laser spectroscopy techniques thermal orientation of a wide range of fl uids in terms of their molecular architecture and chemical composition. By comparing different molecular structures we aim to uncover the microscopic rules that determine the strength of the thermal orientation effect. One central aspect of the project wi ll be the development of an experimental approach to validate and investigate thermal orientation phenomena in situ, by using laser heating and spectroscopy. This project will provide fundamental understanding on a novel physical phenomenon that in the lo ng term might provide the physical mechanism for new energy conversion devices. 1 PhD and 1 PostDoc will be trained in an international setting at NTNU with contributions from Imperial College.